复合材料简介教材

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1、复合材料简介,材料部分 莫 常 新 2010-10-26,复合材料的组成,树脂基体 增强材料 辅助材料,下一页,树脂基体,树脂：即有机高分子，分为天然树脂和合成树脂，是制造塑料的原料。 高分子：即分子量达到10000以上的分子。 分子量：组成物质的分子(或特定单元)的平均质量与碳原子质量的1/12之比，等于分子中原子的原子量之和。如二氧化硫(SO2)的分子量为64，即为一个硫原子和两个氧原子的原子量之和。,下一页,CO2 二氧化碳分子,H2O 水分子,小分子,分子量44,分子量18,下一页,蛋白质分子,高分子,下一页,增强材料,当加入树脂中，能使树脂制品的力学性能或其他性能得以显著提高的材料。

2、 分纤维状和粒状材料两种。 增强材料的增强效应取决于与被增强材料的相容性，为增进相容能力，有些增强材料在使用前需要进行表面处理。 注意增强材料与填料的区别。填料即为辅助材料的一种。,下一页,广义的定义： CM是指由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多相固体材料。,复合材料（CM）的定义,下一页,主要体现在： 多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”和“化合材料”的两大特征。 举例：砂子与石子混合 狭义定义： （通常研究的内容：）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。 由此可以得出：,CM = 增强材料 基体材料,CM与化合材料

3、、混合材料的区别,下一页,由于增强材料和基体材料的不同，因此决定了复合材料的品种和性能的千变万化。 复合材料的分类：,金属基复合材料,无机非金属复合材料,树脂基复合材料,按基体材料不同,下一页,1 、增强材的性能、含量及分布情况 2 、基体材料的性能及含量 3 、界面的结合情况 燃烧性能主要取决于2、3 力学性能主要取决于1、2、3 导热、电、耐腐蚀等性能主要取决于2、3,CM的基本性能,主要取决于3个方面,下一页,1、轻质高强 是CM最突出、重要的特点，也是研究最多的特点。可以用比强度（强度/密度），比弹性模量（弹性模量/密度）来定量描述。,CM的主要性能特点,下一页,可设计性是指：设计人员

4、可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在以下两个方面： 力学设计给制品一定的强度和刚度 功能设计给制品除力学性能外的其他性能 正是由于复合材料的可设计性，我们可以根据制品的需要重点设计某一种或几种物理性能，一些不需要的性能可以不去考虑，从而降低总成本。,2、可设计性好,是复合材料区别于传统材料的根本特点之一,CM的主要性能特点,下一页,要求抗压、抗拉,只要求抗压,钢 管,玻璃钢管,CM的可设计性,下一页,3、工艺性能好,复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活。,CM的主要性能特点,下一页,4、热性能好,导热系数小，是金属材料

5、1/1001/1000； 特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。,CM的主要性能特点,下一页,5、耐腐蚀性能好,可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。,CM的主要性能特点,下一页,6、电性能好,a、电绝缘性能好，不受电磁作用； b、微波穿透性好； c、可制作成不带静电的制品。,CM的主要性能特点,下一页,思考题：1、复合材料性能的主要决定因素有哪些？ 2、复合材料的主要性能特点有哪些？,7、其它特点：,耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。,CM的主要性能特点,下一页,一般情况下 1）、弹性模量低 比钢材小10倍 2）、长期耐热性差 3）、易老化 4）、

6、表面硬度低、耐磨性差,树脂基CM的缺点,也有特殊情况，例如聚氨脂弹性体复合材料耐磨性能好。,下一页,辅助材料,UP&EP,下一页,不饱和聚酯树脂,性能及品种,种类：通用型、耐腐蚀型、阻燃型、低收缩型、耐侯型聚酯树脂等。,一般是由不饱和二元酸二元醇或者饱和二元酸不饱和二元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。,下一页,辅助剂,不饱和聚酯树脂的辅助剂包括交联剂、引发剂、促进剂、阻聚剂、光敏剂等。,1） 交联剂参与并促进树脂交联 要求：高沸点，低粘度，能溶解树脂、引发剂、促进剂、染料等，反应活性大，能使共聚反应在室温或较低温度下进行，能与树脂共聚形成均相共聚物。 常用交联剂： 苯乙烯、

7、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲苯、邻苯二甲酸二丙烯酯、邻苯二甲酸二丁酯。最常用的是苯乙烯。,不饱和聚酯树脂,下一页,交联剂参与并促进树脂交联,高分子,交联剂,组成树脂基体的高分子，分子体积非常大，活性低。交联剂分子小，活性高。,下一页,2）、引发剂 引发剂可以产生自由基，引发树脂体系进行固化反应。引发剂一般为过氧化物，其通式为 ROOR。引发剂的主要类型有：氢过氧化物、酸过氧化物、酮过氧化物、酯过氧化物、二酰基过氧化物。,不饱和聚酯树脂,辅助剂,下一页,分解,+,引发剂,自由基,实验表明，常用的引发剂其临界温度均在60以上，说明单独使用有机过氧化物，不能满足不饱和聚酯树脂室温固化的要求。但在促进剂的

8、存在下，有机过氧化物的“分解活化能”显著下降，可以使有机过氧化物的分解温度降到室温以下。 这种能使引发剂降低分解活化能，降低引发温度的物质称为促进剂。 引发剂促进剂体系称为引发系统,3） 促进剂,不饱和聚酯树脂,辅助剂,下一页,为了增加不饱和聚酯树脂的贮存稳定性，调节适用期，常在聚酯树脂中加入阻聚剂。（一般在树脂生产过程中就加入） 最常用的阻聚剂有：对苯二酚、叔丁基对苯二酚、硝基苯、亚硫酸盐等,4） 阻聚剂,不饱和聚酯树脂,辅助剂,下一页,低温状态下与引发剂结合在一起，高温时与引发剂分离或自身分解释放出引发剂,需要说明的是空气中的O2和水分有明显的“阻聚”作用 自由基与苯乙烯的反应速度比自由基

9、与O2的反应速度慢104倍，一般聚酯树脂制品固化时，表面应覆盖聚酯薄膜。若不用薄膜覆盖，也应使成型表面形成与空气隔离的物质如蜡类，否则自由基与周围空气中的O2 、H2O反应，耗去大部分自由基，造成表面固化不完全而发粘。,思考题：手糊制品为什么要在表面覆盖聚酯薄膜？,不饱和聚酯树脂,辅助剂,下一页,在树脂基复合材料中，用量仅次于不饱和树脂.其综合性能明显优于不饱和树脂。在受力构件、耐碱、电性能要求较高的场合一般使用环氧树脂。 主要类型有 1、“双酚A型环氧树脂” ,又称“E”型环氧树脂； 2、“脂环族环氧树脂”。 环氧树脂俗称万能胶。,环氧树脂,环氧树脂的性能及特点：,下一页,（1）稀释剂 （2

10、）增韧剂 （3）填料 （4）色料,辅助剂,环氧树脂的辅助剂通常有：,环氧树脂,下一页,活性稀释剂： 降低树脂粘度的同时，参与固化反应的稀释剂。改善工艺性能的同时也改善材料的性能。 非活性稀释剂： 只起降低树脂粘度的作用，不参与固化反应的稀释剂。树脂固化时部分逸出，部分残留在制品内。,（1）稀释剂,其作用是降低环氧树脂的粘度，提高流动性。,辅助剂,环氧树脂,下一页,非活性增韧剂（增塑剂） 不带有活性基团，不参与固化反应。常用的有邻苯二甲酸二甲酯、二乙酯、二丁酯，磷酸三丁酯等，掺加量520。 活性增韧剂： 参与固化反应。其增韧作用又称“内增塑”。 常用的有聚酰胺（650，651）。,（2）增韧剂,

11、辅助剂,环氧树脂,增加树脂的可塑性，便于成型加工,下一页,作用： 降低成本；减少制品成型过程的收缩性，降低制品的热膨胀系数和制品的收缩率。 常用的填料有陶土、滑石粉、石英粉、石墨、金属粉等。有时填料对制品的电性能、机械性能、耐磨性能也有影响。,（3）填料,辅助剂,环氧树脂,下一页,为使制品美观，在树脂中加入色料。 通常加入无机颜料的树脂糊，也有加有机颜料的，但是应保证有机颜料不参与反应，否则容易退色。 颜料糊制备的目的是：使均匀分布，不产生颜料团。,（4）色料,辅助剂,环氧树脂,下一页,E玻璃纤维，无碱纤维，含碱0.8以下 C玻璃纤维，中碱纤维，含碱8左右 A玻璃纤维，有碱纤维，含碱1215

12、S玻璃纤维，高强纤维，含碱0.3 M 高弹玻璃纤维 L防辐射玻璃纤维,增强材料的种类,（1）玻璃纤维种类,增强材料,下一页,（2）玻纤制品,增强材料的种类,增强材料,A、玻璃纤维无捻粗纱 B、短切玻纤毡 特点：吸附树脂量大，短切毡6080， 表面毡90以上。 C、无捻粗纱布 D、玻纤细布 平纹、斜纹、缎纹 E、经编织物,下一页,1、碳纤维 具有强度高、模量高、和耐高温等优异性能。 2、聚芳酰胺纤维 是一种新型高强纤维，强度可以达到3.63109Pa，价格比碳纤维低，但是耐紫外线性能较差。,（3）其他纤维,增强材料的种类,增强材料,下一页,（1）外观和比重 外观是一个光滑的圆柱体，横断面几乎是一

13、个完美的圆形。 玻璃纤维的直径一般在520m； 比重一般在2.42.7 容重一般在24002700kg/m3,玻纤的物理性能,1、玻璃纤维的外观和力学性能,增强材料,下一页,抗拉强度很高（1200-1500MPa），但是扭转、剪切强度很低。 玻纤为何比同成分的玻璃强度高出好多倍呢？ 玻璃内部及表面均存在着较多的微裂纹，在外力的作用下，微裂纹处特别是表面微裂纹处，产生应力集中，首先破坏。玻纤高温成型时，减少了玻璃内部成分的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，因此纤维的强度提高。 玻纤在成型过程中由于拉丝机的牵引力作用，使玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。,（2）力学性能,玻纤的物理性能

14、,增强材料,下一页,材料表面的微裂纹,增强材料,下一页,返 回,增强材料,玻璃纤维拉伸取向图示,玻璃拉丝成纤维时，玻纤内部分子在拉力的方向产生了定向排列，抗拉强度显著提高。,下一页,一般情况下，直径越小，强度越高（但是不同成分，不同成型条件下同直径的玻纤强度也不一样）。 玻璃纤维长度越大，强度越低。例如： 5mm长（8m） 1500MPa 20mm长（8m） 1210MPa 可以用微裂纹理论解释以上现象。因为纤维越细，微裂纹越少；纤维越长，产生微裂纹的概率越大。,影响玻纤强度的因素,（1）玻纤直径和长度对拉伸强度的影响,增强材料,下一页,硅 铝 钡 硼 镁 钾 钠 铅 SiO2 Al2O3 B

15、aO B2O3 MgO K2O Na2O PbO,（2）化学成分对玻纤强度的影响,一般情况下K2O、 PbO含量高，强度低。,影响玻纤强度的因素,增强材料,下一页,由于空气中的水分对玻璃纤维有一定的侵蚀作用，因此 存放一段时间后，玻璃纤维的强度下降。 有碱纤维下降较快，无碱纤维下降较慢。所以玻璃纤维 要密封保存，反之强度明显下降。,（3）存放时间对强度的影响,影响玻纤强度的因素,增强材料,下一页,延伸率较低，约3，属弹性材料，受力时没有明显的塑性变形。 弹性模量高于木材、有机纤维；低于钢材。 提高玻璃纤维MgO、BeO（氧化硒）含量可提高其弹性模量。,（4）玻璃纤维的模量,影响玻纤强度的因素,

16、增强材料,下一页,玻璃纤维的导热系数： 0.720 W/m. 玻璃纤维棉的导热系数：0.060.15 W/m. （容重80Kg/m3，具有很好的保温隔热性能） 玻璃钢的导热系数： 0.550.8 W/m.,玻纤的热、光、电学性能,（1）玻璃纤维的导热性,增强材料,下一页,一般纤维200250 强度基本不变 普通玻璃纤维 250，有一定收缩，强度不变。 钠钙玻纤 470 高硅氧玻纤 2000 耐温性能好，可以做管道保温等。,（2）耐热性：,玻纤的热、光、电学性能,增强材料,下一页,在外电场的作用下，玻璃纤维内部的离子产生迁移时会导电，玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成。碱金属离子最容易迁移，因此玻璃纤维成分中碱金属离子越多，其电绝缘性越差。,(3)电性能,玻纤的热、光、电学性能,增强材料,下一页,玻璃是优良的透光材料，其透光率在95以上，